ES2445745T3 - Aleación sobre una base de aluminio y procedimiento para su tratamiento térmico - Google Patents
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Abstract
Aleación sobre una base de aluminio, que contiene litio, magnesio, zinc, zirconio y manganeso, caracterizadapor que la aleación contiene adicionalmente hidrógeno y al menos un elemento del grupo que comprende berilio,itrio, escandio, con la siguiente relación de los componentes en porcentaje en masa: litio 1,5 - 1,9 magnesio 4,1 - 6,0 zinc 0,1 - 1,5 zirconio 0,05 - 0,3 manganeso 0,01 - 0,8 hidrógeno 0,9 x 10-5 - 4,5 x 10-5 al menos un elemento elegido del siguiente grupo: berilio 0,001 - 0,2 itrio 0,01 - 0,5 escandio 0,01 - 0,3 aluminio resto.
Description
Aleación sobre una base de aluminio y procedimiento para su tratamiento térmico
5 La invención se refiere a una aleación sobre una base de aluminio, preferiblemente del sistema Al-Li-Mg, que contiene litio, magnesio, zinc, zirconio y manganeso, y se encuentra en el sector de la metalurgia de aleaciones que se utilizan como material para construcciones en la técnica aérea y aeroespacial, en la construcción de buques y en la construcción de máquinas de medios de transporte terrestres, incluidas construcciones de soldadura.
10 Se conocen aleaciones del sistema Al-Li-Mg que presentan una densidad reducida y una resistencia mecánica relativamente elevada, pero que tienen una deformabilidad escasa y una tenacidad a la rotura reducida. La aleación según el documento de patente de EE.UU. Nº 4.584.173 del 22.04.86 tiene, por ejemplo, la siguiente composición química, en porcentaje en masa: aluminio base
15 litio 2,1 - 2,9 magnesio 3,0 - 5,5 cobre 0,2 - 0,7 y uno o varios elementos del grupo que contiene zirconio, hafnio y niobio: zirconio 0,05 -0,25
20 hafnio 0,10 -0,50 niobio 0,05 -0,30 y zinc 0 - 2,0 titanio 0 - 0,5
25 manganeso 0 - 0,5 níquel 0 - 0,5 cromo 0 - 0,5 germanio 0 - 0,2.
30 Cuando esta aleación se enfría bruscamente a una temperatura de 530ºC y luego se somete a una tracción con un grado de deformación de 2% y un envejecimiento artificial a 190ºC en el transcurso de 4 - 16 h, se manifiesta el inconveniente de que la aleación presenta una escasa plasticidad en estado tratado térmicamente (dilatación relativa 3,1 - 4,5%) y una escasa resistencia a la corrosión.
35 La aleación según la solicitud de patente internacional WO Nº 92/03583 tiene la siguiente composición en porcentaje en masa: aluminio base litio 0,5 - 3,0 magnesio 0,5 -10,0
40 zinc 0,1 - 5,0 plata 0,1 - 2,0
En el caso de un contenido total de estos elementos de como máximo 12% y, si su contenido total asciende a 7,0 10,0%, el litio no debe rebasar 2,5%, y el zinc no debe rebasar 2,0%; además, la aleación puede contener hasta
45 1,0% de zirconio.
Esta aleación presenta una resistencia mecánica de 476 - 497 MPa, un límite de alargamiento de 368 - 455 MPa, una dilatación relativa de 7 - 9% y una densidad de 2,46 -2,63 g/cm3. La aleación se aconseja como material estructural para productos en aviación y navegación espacial. Los inconvenientes de esta aleación consisten en lo
50 siguiente:
La elevada resistencia mecánica puede garantizarse:
- -
- mediante un elevado contenido en litio, pero en este caso se reduce la deformabilidad y la tenacidad a la rotura de la aleación, su capacidad de tratamiento mediante conformación en frío, 55 resultan dificultades en la fabricación de chapas finas que se necesitan para los artefactos
voladores;
- -
- mediante un elevado contenido en zinc; con ello aumenta la densidad de la aleación a valores de 2,60 - 2,63 g/cm3, lo cual reduce esencialmente el efecto de ahorro de peso del producto; -mediante tracción del material enfriado bruscamente antes de un envejecimiento artificial con un
grado de deformación de 5 - 6%, lo cual conduce a una disminución de sus valores característicos para la tenacidad a la rotura.
La aleación está aleada con plata, lo cual aumenta los costes del producto - desde productos semi-acabados hasta
5 productos acabados - . Aleaciones con un elevado contenido en zinc y cobre agregado presentan una resistencia a la corrosión reducida, en el caso de la soldadura de fusión muestran una tendencia incrementada a la formación de defectos y un claro ablandamiento. Una aleación equiparable para todo el sector de aplicación se conoce de la patente de EE.UU. Nº 4.636.357. Esta
10 aleación tiene la siguiente composición química en porcentaje en masa: aluminio base litio 2,0 - 3,0 magnesio 0,5 - 4,0 zinc 2,0 - 5,0
15 cobre 0 -2,0 zirconio 0 - 0,2 manganeso 0 - 0,5 níquel 0 - 0,5 cromo 0 - 0,4.
20 La consolidación de la aleación tiene lugar mediante un tratamiento térmico: Enfriamiento brusco desde una temperatura de 460ºC, tracción con un grado de tracción de 0 - 3% y un tratamiento térmico en dos etapas: La 1ª etapa a 90ºC, 16 h y la 2ª etapa a 150ºC, 24 h.
25 Esta aleación presenta un nivel de resistencia mecánica suficientemente elevado de 440 - 550 MPa y un límite de alargamiento de 350 - 410 MPa.
Los inconvenientes de esta aleación son el bajo nivel de dilatación relativa de la aleación (1,0 - 7,0%) y la escasa tenacidad a la rotura, resistencia insuficiente a la corrosión y la resistencia mecánica limitada de uniones por 30 soldadura en comparación con la resistencia mecánica del material base.
Por lo tanto, la misión de la presente invención es conseguir un aumento de la ductilidad de la aleación en estado tratado térmicamente conservando una elevada resistencia mecánica y garantizando una elevada resistencia a la corrosión y una buena soldabilidad, debiendo garantizarse valores característicos lo suficientemente elevados para
35 la tenacidad a la rotura y la estabilidad térmica después de calentamiento a 85ºC en el transcurso de 1000 h.
Un procedimiento para la mejora de la tenacidad a la rotura de una aleación de aluminio y litio se conoce a partir de los documentos US 4840682 y US 5076859. El documento WO 96/18752 A1 describe un procedimiento para el tratamiento térmico de una aleación de aluminio y litio.
40 Este problema se resuelve de acuerdo con la invención por una aleación del sistema Al-Li-Mg con la siguiente composición química en porcentaje en masa:
litio 1,5 - 1,9
magnesio 4,1 - 6,0
45 zinc 0,1 - 1,5 zirconio 0,05 -0,3 manganeso 0,01 -0,8 hidrógeno 0,9 x 10-5 - 4,5 x 10-5
y al menos un elemento elegido del siguiente grupo:
50 berilio 0,001 -0,2 itrio 0,01 - 0,5 escandio 0,01 -0,3 aluminio resto.
55 Mediante el contenido en hidrógeno se provoca, bajo la formación de partículas sólidas finamente divididas a base de hidruro de litio, una disminución de la contracción longitudinal durante la consolidación y se evita la formación de porosidad en el material.
El contenido en magnesio garantiza el nivel necesario de propiedades de resistencia mecánica y la soldabilidad. Al
reducir el contenido en magnesio por debajo de 4,1%, se reducirá la resistencia mecánica y crecerá la tendencia de la aleación a grietas por calor tanto durante la colada como también durante la soldadura. Al aumentar el contenido en magnesio de la aleación por encima de 6,0%, se reducen la capacidad de tratamiento durante la colada, la laminación en caliente y en frío así como los valores característicos de plasticidad de productos semi
5 acabados y productos acabados a partir de la misma.
Para proporcionar la capacidad de tratamiento necesaria, en particular durante la fabricación de chapas delgadas, del nivel necesario de propiedades de corrosión mecánicas así como de corrosión y de una suficiente tenacidad a la rotura así como soldabilidad, es esencial mantener el contenido en litio. Al disminuir el contenido en litio por
10 debajo de 1,5% aumentó la densidad de la aleación, se redujo el nivel de las propiedades de resistencia mecánica y del módulo de elasticidad, y en el caso de un contenido en litio superior a 1,9% empeoró la capacidad de tratamiento mediante conformación en frío, la soldabilidad, los valores característicos de plasticidad y la tenacidad a la rotura.
15 Zirconio en una cantidad de 0,05 - 0,3% es un modificador en la colada de barras y garantiza, junto con el manganeso (en una cantidad de 0,01 - 0,8%) una consolidación estructural en los productos semi-acabados como consecuencia de la formación de una estructura poligonizada o de grano fino.
En particular, mediante la agregación de uno o varios de los elementos berilio, itrio, escandio, la configuración de 20 una estructura de grano fino homogénea en productos semi-acabados a base de la aleación de acuerdo con la invención determina un aumento de la deformabilidad durante la laminación en frío.
Además de ello, la invención se refiere a un procedimiento para el tratamiento térmico de aleaciones sobre una base de aluminio, preferiblemente del sistema Al-Li-Mg.
25 Misión de un procedimiento de tratamiento térmico de este tipo es elevar la ductilidad de la aleación manteniendo su elevada resistencia mecánica y, al mismo tiempo, alcanzar elevados valores característicos para la resistencia a la corrosión y la tenacidad a la rotura, pero en particular mantener estas propiedades en la exposición del material a una temperatura elevada a lo largo de un tiempo prolongado.
30 A partir del documento de patente de EE.UU. Nº 4.861.391 se conoce un procedimiento para el tratamiento térmico que presenta un enfriamiento brusco con rápido enfriamiento, tracción y envejecimiento en dos etapas como sigue: La 1ª etapa a una temperatura no superior a 93ºC, de algunas horas a algunos meses; preferiblemente, 66 - 85ºC, al menos durante 24 h.
35 La 2ª etapa a una temperatura de como máximo 219ºC, de 30 minutos hasta algunas horas; preferiblemente 154 199ºC, como máximo 8 h. Mientras que se aumentan los valores característicos de la resistencia mecánica y la tenacidad a la rotura, este procedimiento no garantiza la estabilidad de las propiedades de aleaciones de aluminio con contenido en litio después del calentamiento a baja temperatura a 85ºC en el transcurso de 1000 h que simula el calentamiento por
40 parte del sol durante funcionamiento prolongado de artefactos voladores. Después del calentamiento hasta 85ºC a lo largo de más de 1000 h, se reducen en un 25 - 30% la dilatación relativa y la tenacidad a la rotura de aleaciones con contenido en litio tratadas con este método.
De acuerdo con la invención, un procedimiento para resolver el problema planteado comprende las etapas de
45 procedimiento -calentamiento del material hasta una temperatura de 400 a 500ºC, -enfriamiento brusco en agua o al aire - tracción con un grado de deformación de hasta 2% y -envejecimiento artificial, teniendo lugar el envejecimiento artificial en 3 etapas, de las que la
tercera etapa de envejecimiento tiene lugar a 90 hasta 110ºC en el transcurso de 8 a 14 h.
50 Alternativamente, para llevar a cabo la tercera etapa de envejecimiento a una temperatura constante, ésta puede también llevarse a cabo de acuerdo con la invención, de modo que tenga lugar un enfriamiento con una tasa de enfriamiento de 2 a 8ºC por hora durante 10 a 30 h.
55 Se ha demostrado que aleaciones de acuerdo con la invención con la característica de la reivindicación 1 presentan propiedades particularmente ventajosas en el sentido del planteamiento del problema si fueron tratadas según el procedimiento antes mencionado.
Estos procedimientos para el tratamiento térmico garantizan, como consecuencia de la aplicación una tercera
etapa de envejecimiento, la estabilidad térmica de las aleaciones después de almacenamiento prolongado a baja temperatura en virtud de la separación adicional de la fase dispersa δ’-(Al3Li), que está uniformemente repartida en el volumen de la matriz. El gran volumen de la fase δ’ finamente dividida reduce la sobresaturación de Li del cristal mixto e impide la segregación de δ’ durante el almacenamiento a 85ºC, 1000 h.
5 En una forma de realización preferida de los procedimientos según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, la primera etapa de envejecimiento artificial tiene lugar a una temperatura 80 -90ºC en el transcurso de 3 -12 h, y una segunda etapa a 110 - 185ºC en el transcurso de 10 - 48 h.
10 Manteniendo estos límites se crean premisas particularmente favorables para llevar a cabo el envejecimiento artificial y los resultados se obtienen con gran seguridad en el sentido del planteamiento del problema.
Finalmente, alternativamente también puede tener lugar una segunda etapa del envejecimiento artificial a una temperatura de 110 a 125ºC y durante un periodo de 5 a 12 h, debiéndose aplicar preferiblemente estos
15 parámetros del procedimiento si la tercera etapa de envejecimiento se lleva a cabo de manera correspondiente a la reivindicación 3.
20De las aleaciones, cuya composición química está recogida en la Tabla 1, se colaron barras de un diámetro de 70 mm. El metal se fundió en un horno de resistencias. Después de la homogeneización (500ºC, 10 h), a partir de las barras se prensaron tiras con una sección transversal de 15 x 65 mm. Las barras se calentaron antes del prensado a una temperatura de 380 -450ºC. Los bloques de laminación a partir de las tiras se calentaron hasta 360 -420ºC y se laminaron en caliente para formar chapas de 4 mm de grosor, las cuales fueron entonces
25 laminadas en frío hasta un grosor de 2,2 mm. Las chapas laminadas en frío se enfriaron bruscamente en agua o al aire desde una temperatura de 400 - 500ºC, se sometieron a tracción con un grado de deformación de hasta 2% y se sometieron a los tratamientos térmicos recogidos en la Tabla 2. Las propiedades del material base y de las uniones por soldadura se determinaron en muestras que fueron recortadas de estas chapas (véase la Tabla 3).
Tabla
Composiciones químicas de las composiciones investigadas
- AleaciónNº
- Li Mg Zn Zr Mn Hx105 Be Y Sc Cr Cu Ni
- 1
- 2,2 1,2 5,0 - - - - - - 0,4 - -
- 2
- 2,4 3,8 3,9 0,18 0,50 - - - - - 0,96 0,2
- 3
- 1,5 6,0 0,1 0,15 0,60 0,9 0,2 - - 0,12 - -
- 4
- 1,9 5,2 0,8 0,10 0,01 4,5 0,001 - 0,01 - - -
- 5
- 1,7 4,1 1,5 0,30 0,05 2,5 - 0,25 - - - -
- 6
- 1,6 5,2 0,6 0,05 0,80 2,5 - 0,01 - 0,15 - -
- 7
- 1,85 4,8 0,5 0,09 0,20 3,5 - 0,50 - 0,50 - -
- 8
- 1,55 4,2 0,1 0,05 0,10 2,5 - - 0,30 - - -
- 9
- 1,9 4,7 0,1 0,15 0,35 2,5 0,1 - - 0,01 - -
- 10
- 1,5 4,3 0,3 0,1 0,40 3,5 0,1 - - - - -
Nota: Las aleaciones Nºs 1 y 2 son materiales comparativosLas aleaciones Nºs 3 - 10 son materiales conformes a la invención
Tabla 2
Procedimiento para el tratamiento térmico de las aleaciones investigadas
- Aleación Nº
- Tratamiento térmico Nº Procedimiento de tratamiento térmico
- 3, 5, 9
- 3 80ºC, 4 h + 185ºC, 10 h + 110ºC, 8 h
- 8, 10
- 4 90ºC, 3 h + 110ºC, 48 h + 90ºC, 14 h
- 4,7
- 5 85ºC, 5 h + 145ºC, 25 h + 110ºC, 10 h
- 6
- 6
- 85ºC, 12 h + 120ºC, 12 h + 90ºC, 12 h
Tabla 3
Propiedades de las aleaciones investigadas
- AleaciónNº
- Tratamiento térmicoNº !B,MPa !0,2,MPa ∀,% KCO, MPa#m (wo = 200 mm)
- Antes del almacenamiento a85ºC, 1000 h
- Después del almacenamiento a85ºC, 1000 h
- 1
- 1
- 460 345 3,5 59,5 46,0
- 2
- 2
- 470 355 2,5 58,7 44,8
- 3
- 3
- 475 358 9,0 69,5 67,0
- 4, 7
- 5 473 347 8,0 68,3 66,8
- 5
- 3 458 345 8,5 67,8 66,7
- 6
- 6
- 450 338 10,0 68,0 67,8
- 8, 10
- 4 452 340 9,5 66,8 65,9
- 9
- 3 460 345 9,0 65,5 63,3
Notas: Las aleaciones y los procedimientos 1 y 2 son materiales comparativos de un procedimiento de tratamiento térmico de 2 etapas.Las aleaciones y los procedimientos 3 - 10 corresponden a la invención.
Claims (4)
- REIVINDICACIONES1.- Aleación sobre una base de aluminio, que contiene litio, magnesio, zinc, zirconio y manganeso, caracterizada por que la aleación contiene adicionalmente hidrógeno y al menos un elemento del grupo que comprende berilio,5 itrio, escandio, con la siguiente relación de los componentes en porcentaje en masa: litio 1,5 - 1,9 magnesio 4,1 - 6,0 zinc 0,1 - 1,5 zirconio 0,05 -0,310 manganeso 0,01 -0,8 hidrógeno 0,9 x 10-5 - 4,5 x 10-5al menos un elemento elegido del siguiente grupo: berilio 0,001 -0,2 itrio 0,01 -0,515 escandio 0,01 -0,3 aluminio resto.
- 2.- Procedimiento para el tratamiento térmico de aleaciones sobre una base de aluminio con componentes de litio según la reivindicación 1, con las etapas de procedimiento20 -calentamiento del material hasta una temperatura de 400 - 500ºC -enfriamiento brusco en agua o al aire -tracción con un grado de deformación de hasta 2% y -envejecimiento artificial,caracterizado por que el envejecimiento artificial tiene lugar en tres etapas, teniendo lugar la segunda etapa a una 25 temperatura superior a la de la primera etapa, en que la tercera etapa de envejecimiento tiene lugar a 90 hasta 100ºC en el transcurso de 8 a 14 h.
- 3.- Procedimiento para el tratamiento térmico de aleaciones sobre una base de aluminio según la reivindicación 1, con las etapas de procedimiento:30 -calentamiento del material hasta una temperatura de 400 a 500ºC -enfriamiento brusco en agua o al aire -tracción con un grado de deformación de hasta 2% y -envejecimiento artificial,caracterizado por que el envejecimiento artificial tiene lugar en tres etapas, de las que la tercera etapa de 35 envejecimiento comprende una enfriamiento con una tasa de enfriamiento de 2 a 8ºC por hora durante 10 a 30 h.
- 4.- Procedimiento según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado por que la primera etapa del envejecimiento artificial tiene lugar a una temperatura de 80 -90ºC en el transcurso de 3 - 12 h, y una segunda etapa tiene lugar a 110 - 185ºC en el transcurso de 10 - 48 h.40 5.- Procedimiento según la reivindicación 2 o la reivindicación 3, caracterizado por que la primera etapa del envejecimiento artificial tiene lugar a una temperatura de 80 -90ºC en el transcurso de 3 - 12 h, y una segunda etapa tiene lugar a 110 - 125ºC en el transcurso de 5 - 12 h.
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